型电力机车电路分析

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1、HXD3型电力机车电路分析学 生 姓 名：冯卫国学号：100283专 业 班 级： 牵引动力系铁道机车车辆指 导 教 师：楚万喜摘要随着交流技术， 微机控制技术的发展， 交流传动系统的研究和开发已引起世界各国的高度重视。 交流传动系统无论是在性能指标， 装置体积， 设备维护还是节能乃至环保等均体现出巨大优势。 HXD3型电力机车主传动系统和副主传动系统均采用了交流传动技术和微机网络控制技术， 整个电气系统的设计起点高， 技术领先的原则，并充分考虑大型货运电力机车的实际需要，采用先进，成熟，可靠的技术，按照标准化，系列化，模块化，信息化的总体要求，进行全方位设计的。本文对 HXD3型电力机车电气

2、系统的组成做了简要的阐述，对机车整体的电路部分按照主电路， 辅助电路，控制电路分类做了系统的分析，并对其中关键电气部件做了说明。关键词： HXD3; 电路分析；电力机车；交流传动技术目录摘要-0-第一章绪论 - 2 -1.1 电力机车的概念- 2 -1.2 历史沿革 - 3 -1.3 电力机车的类型- 3 -1.4 选题意义 - 4 -第二章 HXD3 电力机车电气系统的组成- 5 -2.1 电气系统的设计概念- 5 -2.2 电气系统的组成- 5 -2.3HXD3 电力机车的电气线路- 6 -2.3.1 主电路及其部件 - 7 -(1)网侧电路 - 7 -(2)主变压器 - 9 -(3)牵引

3、变流器和牵引电动机电路- 9 -(4)保护电路 - 10 -2.3.2 辅助电路 - 10 -(1)三相辅助电路 - 10 -(2)辅助变流器 - 11 -(3)辅助变流器供电电路- 12 -(4)辅助电动机电路 - 12 -(5)辅助电动机电路的保护系统- 12 -2.3.3 控制电路 - 14 -(1)控制电源电路（ DC110V 电源装置） - 14 -(2)DC110V电源装置电气系统构成- 15 -(3)电源输入电路 - 16 -(4)DC110V输出回路 - 17 -(5)控制电路 - 18 -(6)DC110V电源装置控制系统- 19 -(7)司机指令与信息显示电路- 21 -(

4、8)机车逻辑控制和保护电路- 22 -(9)辅助变流器控制电路- 22 -(10)牵引变流器控制电路- 23 -(11)机车照明电路和辅助设备控制- 23 -结论-24-致谢-25-参考文献 - 26 -第一章绪论1.1 电力机车的概念英文名称：Electric locomotives电力机车是指从外界撷取电力作为能源驱动的铁路机车， 电源包括架空 电缆、第三轨、电池等。同样使用牵引 电动机的电传动 柴油机车、燃气机车 等不属于电力机车。由牵引电动机驱动车轮的机车。电力机车因为所需电能由电气化铁路供电系统 的接触网或第三轨供给，所以是一种非自带能源的机车。电力机车具有 功率大、过载能力强、 牵

5、引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量，电力机车的牵引力和爬坡能力比内燃机车和蒸汽机车要大得多， 在载重过大或坡度较大的情况下无需采用多机牵引。电力机车最大的优点就是无限行程，只要车辆不驶离电气化段，就不会 “饿倒 ”（故障除外）等优点。使用电力机车牵引车列，可以提高列车运行速度和承载重量，从而大幅度地提高 铁路的运输能力和通过能力。电力机车起动加速快， 爬坡能力强，工作不受严寒的影响，运行时没有煤烟，所以在运输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度陡的山区线路上更能发挥优越性。此外，电力旅客列车，可为 客车空气调节和电热取暖提供便利条件。电力

6、机车由于电气化铁路 基本建设投资 大，所以应用不如内燃机车和 蒸汽机车广泛。电力机车没有空气 污染，且善于保养，牵引列车速度可达几百千米，所以高速列车都是电力机车牵引的。 电力机车另一个优点就是能够在短时间内完成启动和制动，这个性能比蒸汽机车和内燃机车要优秀很多。所以在世界范围内，正大力发展电气化铁路。在绿色环保的今天，电力机车的发展更加受到重视1。由于我国的电气化铁路较少， 所以会选择把原本无电气化的铁路经电气化改造。电气化改造后的铁路速度将从 100-120km/h 提高到 160-200km/h ，这样不仅能缩短列车的运输时间， 还能达到 5000t 以上的货运列车运输。 如今，走向 “

7、高铁时代 ”的中国，正大力发展电气化铁路。1.2 历史沿革历史简介： 1835 年荷兰的斯特拉廷和 贝克尔两人就试着制以电池供电的二轴小型铁路 车辆 。1842 年苏格兰人 R.戴维 森首先造出一台用 40 组电池供电的重 5 吨的标准 轨距电力机车。由于电动机很原始，机车只能勉强工作。 1879 年德国人 W.von 西门子驾驶一辆他设计的小型电力机车，拖着乘坐 18 人的三辆车，在柏林夏季展览会上表演。机车电源由外部 150 伏直流发电机供应 ,通过两轨道中间绝缘的第三轨向机车输电。 这是电力机车首次成功的实验。 电力机车用于营业是从 地下铁道 开始的。 1890 年英国伦敦 首先用电力机

8、车在 5.6 公里长的一段地下铁道上牵引车辆。 干线电力机车在 1895 年应用于 美国的巴尔的摩 铁路隧道区段，采用 675 伏直流电，自重 97 吨,功率 1070 千瓦。 19 世纪末，德国对交流电力机车进行了试验 ,1903 年德国三相交流电力机车创造了每小时 210.2 公里的高速纪录 2。中国于 1914 年在抚顺煤矿使用 1500 伏直流电力机车 。干线铁路电力机车采用单相交流 25000 伏 50 赫电流制。 1958 年制成第一台以引燃管整流的 “韶山 ” 型电力机车。 1968 年改用硅整流器成功 ,称“韶山 1”型，持续功率为 3780 千瓦。 近年来干线电力机车向大功率

9、、 高速、耐用方面发展， 客运电力机车速度已从每小时 160 公里增加到 200 公里，并向 250 公里迈进。1.3 电力机车的类型电力机车是从接触网上获取电能的， 接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同，所用的电力机车也不一样，基本上可以分为三类：直 直流电力机车 采用直流制供电时，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后， 再送到接触网上。 因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用， 简化了机车上的设备。 直流制的缺点是接触网的电压低，一般为 1 500V 或3 000V ，接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资 3

10、。交直流电力机车 在交流制中，目前世界上大多数国家都采用工频 （ 50Hz ）交流制，或 25Hz 低频交流制。在这种供电制下，牵引变电所将三相交流电改变成 25 kV 工业频率单相交流串励电动机，把交流电变成直流电的任务在机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。 因此，工频交流制得到了广泛采用， 世界上绝大多数电力机车也是交 直流电力机车。交直交电力机车采用直流串励电动机的最大优点是调速简单，只要改变电动机的端电压， 就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子， 使制造和维修很复杂， 体积也较大。

11、而交流无整流子牵引电动机（即三相异步电动机）在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。 改变端电压不能使这种电机在较大范围内改变速度，而只有改变电流的频率才能达到目的。 因此，只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天，才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。交 直交电力机车从接触网上引入的仍然是单相交流电， 它首先把单相交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用。这种机车具有优良的牵引能力，很有发展前途4。1.4 选题意义随着交流技术，微机控制

12、技术的发展，交流调速系统的研究和开发已引起世界各国的高度重视。并且人们已经在生产实践中领略到交流调速带来的巨大收益。交流传动系统无论在性能指标，装置体积，设备维护，还是在节能乃至环保等方面，均体现出了巨大优势。但对于我国而言，机车车辆的交流传动技术，无论是从理论，还是实用上，与发达国家还有一定的差距。 本文结合 HXD3 交流货运电车的电路分析， 理清交直交电力机车的理论问题。第二章 HXD3 电力机车电气系统的组成2.1 电气系统的设计概念HXD3 交流传动货运电力机车是大连机车车辆有限公司与东芝公司联合开发的 7200KW 交流传动 6 轴货运电力机车，遵循设计原则为：（1 ） 坚持设计起

13、点高、技术领先的原则，根据大功率货运电力机车实际需要，尽量采用成熟、可靠的先进技术。（2 ） 坚持采用国际先进技术、可靠的技术和国内成熟的技术相结合的原则，以求获得最高的性能价格比。（3 ） 全面满足现代化铁路装备的要求。力争实现操纵方便、运行可靠、检修容易。（4 ） 坚持大小齐抓原则。在优化选择关键电器部件的同时，抓好机车电气系统的每一个细小环节的设计，彻底解决目前电力机车存在的“小问题” 。2.2 电气系统的组成机车的电气系统主要由主传动及控制系统、 辅助传动及控制系统和机车控制与监测系统组成。具体结构如图所示 5。注： BAT ：蓄电池MC ：主司机控制器DKL ：空气制动逻辑控制装置A

14、C ：辅助司机控制器ATP ：行车安全控制装置DISPLAYUNIT：显示单元VCB ：真空断路器APU ：辅变流装置PANT ：受电弓CI：主变流装置COMP ：空气压缩机BLOWER：风机SAND ：撒砂装置CAB EQUIP：司机室设备机车主传动及其控制系统的任务，在于通过对机车牵引变流器的控制，实现对机车牵引电动机的控制，从而实现机车的牵引和动力制动的特性控制。机车辅助传动及其控制系统的任务是实现对机车辅助电路的控制，辅助电动机按照其工作特性， 可以分为两类： 一类是对牵引电动机和冷却塔的冷却用通风机电动机的控制， 它们可以用变频变压的方式工作； 另一类是驱动压缩机等负载的电动机，它们

15、只能在定频定压方式工作。因此分别采用两套辅助变流器供电。机车微机控制和监测系统( 简称 TCMS ）的机车控制的核心，司机的一切命令和主要控制电器的控制信号，如：辅助电动机自动开关等，均通过 TCMS 进行输入，经过 TCMS 与机车牵引变流器控制单元、辅助变流器控制单元、 ATP 控制单元、电空制动控制单元等进行通信、数据交换，实现信息传递。一些辅助控制电器信号则直接送到牵引交流器控制单元， 实现相关逻辑控制和保护。 机车控制的各种信息通过设置在司机室的微机控制显示屏进行显示。2.3HXD3 电力机车的电气线路HXD3 电力机车上各种电机、 电器设备按其功能和作用、电压等级分别组成几个独立的

16、电路系统。即主电路、辅助电路、控制电路。三个电路通过电磁、电机、电空等联系起来，对机车进行控制。6。2.3.1 主电路及其部件图 2.2HXD3型电力机车主电路原理图机车主电路是产生机车牵引力和制动力的电器设备电路。机车主电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电动机等组成。具体如图2.2 所示。主电路所完成的功能是电能和机械能间的相互转换。机车牵引工况时， 机车主变压器原边通过受电弓、高压隔离开关、 和主断路器获得 25KV 交流电经过主变压器的降压，有主变压器次边6 个独立的牵引绕组分别向 6 组交直交支路供电，每组交直交电路由一个两点式单相四象限PWM 整流器和一个两点式三相 VV

17、VF 逆变器组成。三相 VVVF 逆变器向牵引电动机供电，牵引电动机在电动机状态下工作， 实现机械能的转换， 变为机车的牵引力和速度。机车在制动工况时， 则进行与上述相反的转换。 这是电动机在发电机状态工作，将列车的动能或位能转换为电能， 向接触网回馈电能， 这时牵引时按整流器工作的变流器，变为逆流器工作。全车共有 6 组变流器，加上相应的电器，分别安装在两套变流器机柜中。牵引变流器的控制采用单独独立控制方式，机车的单轴输出功率为1200KW现将各电路的作用分述如下：(1) 网侧电路网侧电路由 2台受电弓、 2 台高压隔离开关、 1 个高压电压互感器、 1 个高压电流互感器、 1 台主断路器、

18、 1 台避雷器、主变压器原边绕组、 2 个低压电流互感器和回流装置等组成。机车通过受电弓 AP1 或 AP2 从接触网受流，经高压隔离开关 QS1 或 QS2 和主断路器 QF1 ，通过高压电流互感器 TA1 进入车内，经 25KV 高压电缆与主变压器 A 端子相连，经主变压器原边 AX 后，通过 6 个并联的回流装置 EB1 EB6 从轮对回流至钢轨。受电弓采用 DSA型受电弓，弓内装有自动降弓装置，当弓网故障时，可自动降弓。高压隔离开关具有手动操作功能。 当一台受电弓发生故障接地时， 可通过手动操作高压隔离开关，切除故障受电弓，有另一台受电弓维持级车运行，以减少机破故障，提高机车运行可靠。

19、高压电压互感器其次边输出分别送到牵引变流器 1和牵引变流器 2的控制单元，作为牵引变流器控制的同步信号使用， 还可以作为原边电压的检测和为电度表的计量提供电压输入。主断路器该电器的作用为正常状态下的电路的开闭及故障状态下电路的开断， 后者包含机车接地和短路等故障。 由于鼓掌电流增长快、 电流大，因此要求断路器尽可能短时间内动作，并能开断极大的短路电流。高压电流互感器对主变压器原边电流进行检测， 用以驱动保护继电器，起原边过流保护作用。避雷器避雷器接在主断路器和高压电流互感器之间， 用以抑制操作过电压及雷击过电压。高压接地开关在机车停电进行高压设备或在车顶检修时（同时必须接上接地棒） 需通过打开

20、机车天窗门，转换高压接地开关，使车顶网侧部分接地，以确保人身安全.低压电流互感器一只低压电流互感器为电度表的计量提供原边电流信号， 并为机车微机控制系统提供原边电流信号，另一只低压电流互感器给 TCMS送入原边电流信号，用于危机显示屏显示。回流装置保证网侧电流向钢轨的回流作用， 同时保护机车轮对轴承不受电蚀以及机车可靠的接地性能。(2) 主变压器主变压器有 6个1450V牵引绕组分别用于两套牵引变流器供电，两个 399V 辅助绕组分别用于辅助变流器的供电。(3) 牵引变流器和牵引电动机电路牵引变流器的组成牵引变流器 UM1内部可以看出 3个独立的整流中间电路逆变环节构成，每个环节分别有 2个接

21、触器、 1个输入电流互感器、 1个充电电阻、 1个四象限变流器、中间电器、 1个 PWM逆变器、 2个输出电流互感器等组成。 3个整流中间电路逆变环节的主电路和控制电路相对独立，分别提供给 3个牵引电动机。当其中一组或几组发生故障时，可自定切除，剩余单元可继续工作。牵引变流器工作原理在变流器输入端， 设有变流器充电电路， 当中间电压为零时， 主变压器的牵引绕组通过充电电阻向四象限整流器， 给中间直流回路支撑电容充电。 若不接入充电电阻，当电源接入时， 电容上的电压不能突变， 因此电源相当于通过二极管短路，会形成相当大的冲击电流。当中间直流电压达到 2000V时，中间电路预充电完成，充电接触器切

22、除充电电阻。 这时，牵引绕组向中间直流回路支持电容继续充电，直至 2800V。整个充电过程完成后，逆变器可以投入使用。在再生制动时， 逆变器工作在整流状态， 整流器工作在你变状态。 由牵引电动机向主变压器牵引绕组馈电，将电能回馈至接触网。输入电流互感器起控制和检测充电电流及牵引绕组短路电流的作用。 输出电流互感器起监测牵引电动机输入电流的作用。中间直流电路由中间电压支撑电容、 瞬时过电压限制电路和主接地保护电路组成。瞬时过电压限制电路由IGBT 和限流电路组成。档支撑电容上的中间电压超过允许电压范围时， IGBT元件导通，通过限流电阻放大，使中间电压保持在允许电压值内。牵引电动机供电电路机车的

23、牵引电动机 M13由牵引变流器 UM1的 3个 PWM逆变器分别单独供电，实现牵引电动机的单独控制。这样，整台机车的 6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分配不均， 均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿， 以实现最大限度的发挥机车牵引力。 当一台机组故障时， 只需切除一组机组， 机车仍能保持六分之五的牵引动力。(4) 保护电路主变压器牵引绕组的过流保护当主变压器牵引绕组发生过流时， 通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，通过控制单元对相应的变流器环节实行封闭保护。接地保护电路跨接在中间回路 2个串联电容的中点的 1个接地信号检测传感器组成了主接地保护电路。 当主电路正常时，

24、 由于只有一个接地， 接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出。当主电路某一点接地时，形成回路，将在接地信号传感器中流过接地故障电流， 传感器输出电流信号， 是保护装置动作，断开主断路器。可以通过接地故障的转换开关，实施接地保护隔离。每一个变流器柜分别含三套接地保护电路， 可以分别对三个交直交电路进行检测和保护，接地检测信号送 TCMS，显示接地故障。牵引电动机过流保护当牵引电动机发生过流时， 通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，由变流器控制单元对相应的变流器环节实施封锁保护。2.3.2 辅助电路HXD3型交流传动货运机车的辅助电气系统是由辅助变流器、各辅助机组及辅

25、助加热设备等组成。该系统具有电压稳定、平衡、节能、低噪音、维护工作量小等优点，有利于各辅助电机运行。对于机车来说，每辆机车装载有 2组辅助变流器，正常工作时，一组（ UA11）实行 VVVF控制，另一组（ UA12）实行 CACF控制。但是，当某一个辅助变流器发生故障时，另一组辅助变流器则满载投入，以 CACF控制模式提供能量 7.(1) 三相辅助电路HXD3型交流货运电力机车辅助变流系统的供电电路是由主变压器辅助绕组、辅助变流器、滤波电感和滤波电容、接触器、自动开关、辅助电动机等组成。具体电路如图 2.3 所示。辅助变流器 UA11、UA12分别有主变压器的两个辅助绕组供电，两个辅助绕组的电

26、压均为 399V。每个辅助变流器的输出侧都加有滤波电感和滤波电容组成的正弦波滤波器，这样逆变器输出的正弦波给各辅机供电， 从而大大的降低了对辅助绕组匝间绝缘的要求， 提高辅机的使用寿命， 机车上各辅助电动机均通过各自的自动开关与正弦波滤波器连接，除 2台空气压缩机外，均不设电磁接触器，使辅助电动机电路简单、可靠 8。图 2.3HXD3型电力机车辅助电动机供电电路原理图(2) 辅助变流器一台机车共设置有 2套辅助变流器， 分别同 2套牵引变流器安装在一起， 组成牵引变流装置。每一组辅助变流器由整流电路、中间直流环节、逆变电路等组成。整流电路采用四象限整流，并串有平波电抗器。为了保证逆变器输入电压

27、稳定， 在整流输出电路并联电容器， 因此可以看成是恒压源。每套辅助逆变器的输出均可有 VVVF和 CVCF两种工作方式，可以按连接的辅助电动机的情况需要，工作在适当的方式。在正常情况下， 2套辅助变流器基本上一 50%的额定容量工作，辅助变流器 1（ APU1）工作在 VVVF方式，辅助变流器 2（ APU2）工作在 CVCF方式，分别为辅助电动机供电。当某一套发生故障时，另一套可以承担机车全部辅助电动机的负载，不需要切除任何辅助电动机。此时，辅助变流器在 CVCF方式工作，仍能保证辅助电动机能满功率运行，辅助电动机负载功率的控制由机车微机控制系统自动来完成。由于辅助绕组的电压为 399V，即

28、使接触网电压在 17.5 31.5KV 范围内变化，整流电压仍能保证辅助逆变器的输出电压达到 380V，保证辅助电动机的正常运行。辅助变压器内部设有过压、过流、接地保护。(3) 辅助变流器供电电路辅助变流器 UA11的输出首先经过正弦波滤波器 LC1，在经过接触器 KM11给牵引风机电动机 MA11、MA12、MA1、MA14、MA15、MA16和复合冷却风机电动机 MA17、MA18供电。由于以上负载属于风机类负载，辅助变流器可工作在变频变压状态。辅助变流器 UA12的输出首先经过正弦波滤波器 LC2，在经过接触器 KM12给空气压缩机电动机 MA19、MA20、主变压器油泵 MA21、MA

29、22、司机室空调 EV11、EV12、2台牵引变流器水泵 WP、2台辅助变流器通风机 APBM以及其他辅助设备（加热器等）供电。由于以上负载属于泵类负载，辅助变流器工作在定頻定压状态。同时辅助变流器 UA11、UA12的中间直流还向 UC（DC110V电源装置）供电。在辅助变流器 1或辅助变流器 2发生故障的情况下，开断其相应的输出接触 KM11或输出接触器 KM12，在闭合故障转换装置 KM20，把故障辅助变流器的负载切换到另一个辅助变流器上，由该辅助变流器对全车的三相辅助电动机供电。(4) 辅助电动机电路机车上的各辅助电动机均通过各自的自动开关与辅助变流器连接，除 2台空气压缩机外，均不设

30、电磁接触器，使得辅助电动机电路更简化、更可靠。当辅助变流器采用软启动方式启动时， 除空气压缩机电动机外， 其他辅助电动机也随之启动。空压缩机的启动受电磁接触器的控制， 电磁接触器受机车司机控制扳键开关和总风缸空气压力继电器的控制。(5) 辅助电动机电路的保护系统辅助系统主电路接地保护在辅助变流器 UA11、UA12内部，分别设有 1套接地保护装置，进行辅助系统主电路的接地保护。 当对应辅助回路发生故障且只有一点接地时， 可以控制电器柜内对应的接地故障转换开关置“中立位” ，继续维持机车运行，回段后再行处理，或者将故障的辅助变流器切除， 机车维持一组辅助变流器供电， 回段后再行处理。 辅助变流器

31、的过流和过载保护在每一组辅助变流器的输入回路中，设有输入电流互感器ACCT，起控制和监视变流器充电电流及辅助绕组短路电流的作用，其动作保护值为 1600A，保护发生时，四象限整流器的门极均被封锁，工作接触器 K、AK均断开，同时向微机控制系统发出跳主断的信号，该故障消除后 10s 内自动复位，如果此故障在 2分钟内连续发生 2次，该辅助变流器将被锁死，必须切断辅助变流器的控制电源，才可解锁。在每一组辅助变流器的输入回路中，设有输出电流互感器 CTU和 CTW，对辅助电动机回路过载及辅助电动机三相不平衡起控制和监视保护作用， 辅助电动机回路过载保护的动作之为 850A。保护发生时， 逆变器的门极

32、均被封锁， 同时向微机控制系统发出跳主断信号。该故障消除后 10s 内自动复位，如果此故障在 2分钟内连续发生 6 次，该辅助变流器将被锁死，必须切断辅助变流器的控制电源，才可解锁。辅助变流器中间直流回路电压保护辅助变流器中间直流回路设有两组电压监测环节， 其中 DCPT4是用于四象限整流器的控制， DCPT5是用于逆变器的控制；当 DCPT5监测到中间回路电压大于675 V 时，中间回路电压保护环节动作，逆变器门极被封锁，逆变器停止输出；当 DCPT4监测到中间回路电压大于等于 825V 或小于 675V时，四象限整流器门极被封锁，四象限整流器停止输出。辅助变流器输入电压的保护当辅助变流器的

33、输入电压（即辅助绕组的输出电压）低于 283V时（即网压低于 17.5KV 时），四象限整流器门极被封锁，工作接触器 K、AK断开，四象限整流器停止输出。当辅助变流器的输入电压高于 502V时（即网压高于 31.5KV 时），过压保护环节动作，四象限整流器门极被封锁，工作接触器 K、AK断开，四象限整流器停止输出。 110V充电模块输入电源的短路过载保护每组辅助变流器均可向 110V 充电模块提供 DC750电源，输出电源回路通过熔断器 DF进行短路过载保护， 熔丝额定值为 215A。当 DF出现熔断后， 辅助变流器将通过微机控制系统 TCMS。进行 110V 充电模块输入电源的转换，由另一组

34、的辅助变流器向 110V充电模块提供直流电源，同事微机显示屏也进行相应的故障记录和显示。2.3.3 控制电路机车的控制系统简称TCMSTCMS主要功能是实现机车特性控制、 逻辑控制、故障监视和诊断， 能将有关信息送到司机室内的机车控制状态显示装置。 TCMS包括一个控制装置和两个显示单元，其中控制装置设有两套控制环节， 一套为主控制环节， 一套为备用控制环节 9。机车的控制电路系统主要完成的功能是：顺序逻辑控制：如升、降受电弓，分、合主断路器，闭合辅助接触器、启动辅助变流器等。机车特性控制：采用恒牵引力 / 制动力 +准恒速控制牵引电动机，实现对机车的控制。定速控制：根据机车运行速度可以实现牵

35、引、电制动的自动转换，有利于机车根据线路情况的实现限速运行。辅助电动机控制：除空气压缩机外，机车各辅助电动机根据机车准备情况，在外条件具备的前提下，由 TCMS发出指令启动、运行。空气压缩机则根据总风缸压力情况由接触器的分合来实现控制。空电联合制动控制：同交直传动货运机车（如SS4改机车）相同。机车粘着控制：包括防空转、防滑行控制、轴重转移补偿控制。机车的控制电路可以分为以下几个部分：(1) 控制电源电路（ DC110V电源装置）机车控制电源的核心部件是DC110V充电电源模块 PSU，具体如图 2.4 所示图 2.4DC110V 充电电源模块电路机车 DC110V控制电源采用的是高频电源模块

36、PSU与蓄电池并联，共同输出的工作方式，在通过自动开关分别送到各个支路，如微机控制、机车控制、主变路器、车内照明、车外照明等。PSU的输入电源来自辅助变流器 UA11或 UA12的中间回路电源，点 UA11或UA12均正常时，由 UA12向 PSU输入 DC750V电源，当 UA12故障时，转向有 UA11向 PSU输入 750V 电源。DC110V充电电源模块 PSU含两组电源，通常只有一组电源工作，故障时另一组电源开始供电，每组电源模块的输入电压为DC750V，输出电压为 DC110V2%，额定输出电流为 55A，输出功率为 6050KW（25），采用10自冷却方式，控制电源电压采用DC7

37、50V 。(2)DC110V 电源装置电气系统构成充电器输入电压 DC750V，功率 6.05KW，采用自然冷却方式，输出特性曲线如图 2.5所示图 2.5 输出电压与输出电流的曲线装置电气组成可以划分为四大部分，依次为电源输入电路、预充电电路、DC110V输出电路和控制电路，如图 2.6 所示图 2.6DC110V 电源装置电气系统框图(3) 电源输入电路装置的输入电源来自机车辅助逆变器 APU的中间直流回路， 采用双电源、双路供电方式，具体如图 2.7 所示图 2.7APU 与 PSU的接线图中 A 部为电源输入线， 输入电源的选择出 OP信号（位于 APU2中）进行控制。 QS47闭合

38、2.5s 后，APU2就送出 OP信号（无故障时此信号为 110V），通过继电器连锁控制CTT接触器，实现输入电源的选择。表显示了和 CTT接触器的关系。OP与RY3继电器表 OP信号与电源选择的关系(4)DC110V 输出回路IGBT、整流回路的绝缘变压器 IST1 和整流器 FR、平波回路的电抗器 DCL1 和平波电容 LC1 构成了 DC/DC转换回路，如图 2.8 所示图 2.8DC/DC 转换回路微机系统以脉宽调制为原理控制 IGBT 动作，将输出电压变为交流脉冲电压，输入到变压器的原边（波形见图 2.8 ）。需注意的是 IGBT工作在高频段上，关断瞬间会产生一个巨大的尖峰。 这个尖

39、峰对 IGBT非常有害，所以在 IGBT回路中并联一个无感电容，用以消除尖峰。而且这个电容要与 IGBT 的两端直接相连，以防止线路中的杂散感抗进入回路中， 从而影响电容对尖峰的吸收效果， 失去对IGBT的保护作用。图 2.8 变流器输出波形DC/DC回路中的输出变压器 IST1 为中频变压器，变为 750V/150V，二次侧输出电压经整流器、平波电抗 DCL1和平波电容 LC1 构成滤波回路后，输出 110V 直流电压 11。(5) 控制电路控制电路是 PSU的控制核心。中间部分是控制基板PWB，它收集 PSU内部的各个器件的状态以及电压、电流信号，并进行逻辑处理，然后控制继电器（CTT、R

40、Y1等）动作、向 IGBT发出指令。左侧部分是基板的电源供电电路，经过一个小型的电源转换器（记作psu）后，向基板提供正常工作所需的电源。右侧为输入 / 输出信号，并预留了RS-232C串行接口，方便与电脑相连，如图2.9 所示。图 2.9 控制电路IGBT GATE SIG-IGBT门信号； APU 750V INPUT-APU 750V输入； swlect Switch- 选择开关； CONTROL-SIGNAL控-制信号； CONTROL PWB控制- PWB单元是否工作，则取决于左下角的选择开关电路。这部分由两个开关构成，SW1为自动 / 手动选择开关，“ TCMS”位表示由机车的微机

41、系统来控制单元的启动；“MANUAL”位表示通过手动选择开关SW2来选择工作的单元。 具体如图 2.10所示。图 2.10选择开关电路FROM TCMS来-自 TCMS;TCMS OR MANUAL SELECT-TCMS/手动选择；采用这种控制电路， 对机车控制系统而言， 信号处理简单； 微机只用输出一12个信号就可以选择所需要启动的PSU .(6)DC110V 电源装置控制系统控制基板框图PSU的控制系统由微机系统组成，控制核心部件安装在控制基板上，控制功能框图如图 2.11 所示。电源转换模块为基板内的各个芯片提供电源， IGBT 的门极电压为 15V。模拟量处理模块采集电压、电流传感器

42、（ DCPT、DCCT、HCT）送来的输入电流、输出电压和 IGBT电流值。 DI/DO 模块是对开关量输入 / 输出的控制模块。采集空气断路器 MCCB的状态等开关量信息， 同时也进行输出， 控制 CTT 等接触器的工作。图 2.11控制基板框图13 。门极脉冲输出模块是驱动电路， 它将微机输出的 IGBT 门极信号与 IGBT 的高压回路进行隔离， 保证控制信号不受外电路中高电压的干扰， 保护微机系统各个芯片不被高压烧损。FC中间电容电压检测用来检测中间电容的端电压，用于装置的控制和检测。输出电压控制框图充电器的主要控制目标是输出电压，其控制规则严格遵守特性曲线要求，具体如图 2.12 所

43、示。图 2.12输出电压控制框图输出电压控制系统是个双闭环控制系统， 电压控制环起主要作用， 电流控制环起辅助作用。在特性曲线的恒压阶段，输出电压的反馈值与基准电压比较后，生成一个电流参考值， 然后与电流反馈值进行比较，最终确定一个输出波形， 送到 PWM发生器中，产生 IGBT 的门及控制信号；在限流阶段，过程同恒压阶段，只是在电压比较器处多比较了一个 “输出电压降低值” 的参数。这个值的确定将根据预先写入的程序中的限流曲线生成， 所以此时电流控制环的地位比电压控制环高，其主导地位。软启动处理环节， 将输入的给定值按照一定的斜率加载到电压比较器中。 以这种方式进行输入， 给定电压值就不会是一

44、个阶跃信号， 装置最终的输出电压也会平稳上升，防止了IGBT 因突然流过过大电流而损坏。绝对值变换环节将输出电流反馈的全周期的波形，变换为半周期的上半波波形，相当于整流回路。这样处理后更容易比较和计算逻辑控制时序控制充电器中各个接触器和继电器的动作、 IGBT 的触发时间都是有一定时序的，这样才能保证设备的安全和进行正常的工作。图 2.13 所示，显示了时序控制及相应的波形。图 2.13 时许控制及波形充电装置的工作过程如下： 当 APU开始工作后，其中间直流回路的电压逐渐上升，达到 750V。控制电路检测到输入电压达到 750V，并维持 10s 后，首先闭合 CTT接触器，预充电回路投入工作

45、， 中间电容 FC两端电压上升。 延时 3s 后预充电完成，触发晶闸管 CHS，使装置进入工作状态。然后输入 IGBT门极信号，得到 110V 直流电源、当 APU停止工作后，输入电压下降，当中间电容电压低于620V时。装置也停止工作，停止时许与工作时序相反。装置的保护装置DC110V电源装置自身具有输入过电压、欠压、过流，输出欠压、过流等保护功能，因为这些参数对装置本身是独有的， 不同于其他设备，但对于接地保护，该装置就没设立单独的保护电路， 而是把这一保护功能交给机车系统来实施， 装置的高压部分连接到机车辅助逆变器中，那么高压电路接地保护就由 APU来处理，输出电路连接到机车的控制系统中，

46、那么就由机车的控制接地保护来完成。装置对于接地保护的策略， 充分利用了机车的资源， 同时节约了成本。 实际应用证明，保护的策略设计是成功的。(7) 司机指令与信息显示电路机车的 2 个司机室的控制指令通过相应的控制电器，分别送到 TCMS。这些信号有：司机电钥匙开关信号、 主司机控制器换向手柄信号和调速手柄控制级位信号、辅助司机控制器手柄控制级位信号、 受电弓的升降弓信号、 主断路器的分合信号、空气压缩机的启停信号、 以及司机室的其他信号。 其他还有：故障复位、紧急制动、过分相、定速控制等信号。用于机车受电弓升降控制、主断路器分合控制、空气压缩机的启停控制、 辅助变流器和牵引变流器的启停控制、

47、 运行控制等，进一步地实现对机车相应的逻辑控制和牵引制动特性控制。机车控制的信息显示出设置在司机操纵台的故障显示灯和危机显示屏来完成 14。(8) 机车逻辑控制和保护电路机车的逻辑控制和保护电路主要是各自动开关、各流速继电器故障隔离开关、高压故障隔离开关、压缩机接触器状态、主断路器状态、辅助变流器的库内试验开关、牵引变流器试验开关、 各种接地保护、 空气管路系统压力继电器等与TCMS接口，主要用于机车的各种工作逻辑控制、保护逻辑控制，并通过通信将有关控制指令送到牵引变流器。机车牵引、制动特性控制是通过 TCMS与主、辅助变流器的控制来实现的。当机车处于库内动车工况， TCMS将控制牵引变流器按

48、照专门程序工作。当机车处于辅助电动机系统库内试验工况时，机车辅助变流器可单独起动。当机车处于正常运行工况时，一旦发生辅助电动机故障、风速继电器动作等时，机车牵引变流器的工作状态发生相应的改变15。(9) 辅助变流器控制电路在机车主断路器闭合后，由TCMS发出命令，闭合辅助变流器输出电磁接触器，并将信息传递给辅助变流器控制单元，由辅助变流器控制单元发出指令，控制辅助变流器启动。在机车某一辅助变流器发生故障（无论是辅助变流器 1 或者 2）后，故障的辅助变流器能及时的将信息传递给 TCMS，完成故障情况下输出电磁接触器的动作转换。同时将信息传递给另一组辅助变流器控制单元， 故障的辅助变流器被隔离。

49、所有辅助电动机全部由另一套辅助变流器供电， 这时，该辅助变流器工作在CVCF状态，不受司机控制器级位指令的控制，牵引电动机通风机和冷却塔通风机也正常满功率工作。辅助变流器的隔离也可以由手动控制“辅助变流器隔离开关”来实现，对应两套辅助变流器，机车上设两个“辅助变流器隔离开关”，可以分别实施两套辅助变流器的故障隔离运行。在某一台辅助变流器发生过流、短路等故障时，能自动实施电磁接触器的鼓障转换，并将信息送 TCMS。在辅助变流器发生接地故障时，跳主断路器，并将信息送 TCMS，由司机来完成辅助变流器地接地故障的故障隔离 16。(10) 牵引变流器控制电路机车牵引变流器的控制主要是按照司机控制器给定

50、的指令，由 TCMS传递给牵引变流器，完成对牵引电动机按照机车牵引制动特性的控制， 并同时参与控制VVVF辅助变流器的输出电压和频率。牵引变流器发生接地、次边过流、牵引电动机过流、牵引电动机自身部件发生故障时，跳主断路器，并送 TCMS,进行自动故障隔离，并指导司机进行有关故障隔离操作。牵引变流器的故障可以通过按动“故障复位”按钮进行恢复。可以通过控制“牵引电动机故障隔离开关”对每个牵引电动机进行隔离，便于对牵引电动机进行单独试验。 对应 6 台牵引电动机， 机车上设有六个 “牵引电动机故障隔离开关” 。这些信号直接送到牵引变流器控制单元， 可以分别对牵引电动机实施隔离。机车牵引电动机的牵引风

51、机风速继电器的信号直接送到牵引变流器中， 可以很方便地实现风速保护。各牵引电动机速度传感器的信号直接送到牵引变流器中， 用于对牵引变流器的控制，有效地实施机车的防空转、防滑行，并对机车的轴重转移进行补偿。库内动车信号也送到牵引变流器控制单元，当机车在库内动车时，使机车牵引变流器按照特定的程序工作。(11) 机车照明电路和辅助设备控制机车照明电路主要包括车内司机室照明、 司机室仪表照明、 走廊照明、车外前照灯、副前照灯、标志灯等。辅助设备电路主要包括刮雨器、刮雨器水泵、电风扇、防寒加热、电冰箱、辅助压缩机、空气干燥器、司机室空调等的控制。结论随着越来越多的交流传动电力机车以其优越的性能奔驰在世界

52、上许多国家的铁路网上，交流传动电力机车已成为今后我国电力机车的发展方向。 正是这个契机，大连厂与日本东芝公司联合开发研制了 HXD3型交流传动货运电力机车，该车时速 120km/h，轴功率 1200KW，填补了国内六轴交流货运电力机车车型的空白。HXD3型交流传动电力机车在整个电气系统的设计中，充分考虑大功率货运电力机车的实际需要，按照铁道部的先进、成熟、可靠的原则，和标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求，来进行设计的。本位对 HXD3型电力机车的电气系统构成及整车电路设计做了简要的分析和研究。本文对 HXD3型电力机车电气系统的设计理念、系统构成及整车电路做了系统的介绍：（1） HXD3

53、型电力机车电气系统的设计采用了世界上先进的、成熟的交流电机矢量控制技术和国内成熟的机车安全综合信息监控系统和空电联合制动技术 ;（2） HXD3型电力机车上各种电机、电器设备按其功能和作用、电压等级分别组成几个独立的电路系统即主电路、 辅助电路、控制电路， 本文对各电路的构成特点及主要部件做了详细的阐述。致谢本论文的工作是在在西安铁路职业技术学院牵引动力系系培训二班完成的。文中除了特别加以注明地方外， 不包含他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安铁路职业技术学院牵引动力系或其他机构学位或证书而使用过的材料。除非另有说明，本文的工作是原始性工作。本文是在楚万喜老师的热情关心和指导下

54、完成的， 他渊博的知识和严谨的治学作风使我受益匪浅， 对顺利完成这个课题起到了很大的作用， 我特向楚老师表示我最衷心的感谢！在此，我对三年来辅导过我的各位任课老师表示深挚的感谢。 老师谢谢你们，老师你们辛苦了。参考文献1 张大中，电传动机车概论 M ，成都：西南交通出版社， 2001.2 连级三，电力牵引控制系统 M ，北京：中国铁道出版社， 1996.3 黄济荣， 电力牵引交流传动与控制 M, 北京：机械工业出版社， 1998.4 中国南方机车车辆工业集团公司, 铁道机车知识 M, 大连：大连理工大学出版社， 2002.5 谢家地、祁冠峰 . 电力机车电器 M, 北京：中国铁道出版社， 20

55、08.6 莫坚 , 电力机车检修 M, 北京：中国铁道出版社， 2008.7 张有松、朱龙驹,韶山 4 型电力机车 M,北京：中国铁道出版社，2008.8 兰州西机务段 ,HXD3 型大功率交流传动电力机车培训教材M, 兰州：兰州华科印务公司 .2009.9何瑞华 , 我国低压电器新世纪发展策略探讨J,低压电器， 2000（01） :15-18.10黄炜 , 机车用新型大功率直流电磁接触器设计J 电器工业， 2004（ 05）:10-15.11 陈亮、王宇野、翟国富，直流混合开关电器技术的研究 J. 低压电器， 2005（ 06）:11-14.12 赵晓明 ,SS4 改进型机车低压电器柜自动开关接线烧损故障分析J,机车电传动， 2008（ 03） :21-24.13 李